通常注塑模具需要很大的重量、巨大的材料成本、安全管理和輔助設(shè)施的安裝。在本期案例研究中，通過3D打印-增材制造 (AM) 技術(shù)實現(xiàn)了一種由點陣晶格結(jié)構(gòu)組成的輕質(zhì)注塑模具，模具的重量和材料用量減少了約 79%，通過注塑測試，使用聚氯乙烯 (PVC) 成功注塑 400 次而不損壞模具。

點陣建模軟件點陣建模軟件© 3D科學(xué)谷白皮書

輕量化模具

在汽車、航空航天、船舶和家電行業(yè)中，需要大型模具來制造零件。然而，大型注塑模具存在與模具材料的重量和單位成本、安全管理風(fēng)險以及對輔助設(shè)施的需求相關(guān)的問題，這些問題可以通過使用輕量化模具來克服。換言之，可以通過3D打印-增材制造技術(shù)制造帶點陣結(jié)構(gòu)的模具內(nèi)部，從而獲得輕量化的效果。

輕量化的實現(xiàn)方式© 3D科學(xué)谷白皮書

當(dāng)前為了減輕模具的重量，有一種方式是采用塑料材質(zhì)的快速模具，不過塑料作為模具存在熱性能低的缺點，因此，對于輕質(zhì)注塑模具，塑料模具是理想的，但是，它們具有熱阻低等局限性。

模具的3D打印制造技術(shù)© 3D科學(xué)谷白皮書

為了提高傳熱性能，帶點陣晶格結(jié)構(gòu)的金屬注塑模具是理想的選擇，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，一般來說，制造傳統(tǒng)模具需要設(shè)計、銑削、車床、鉆孔、線切割、計算機數(shù)控 (CNC) 加工和組裝等許多過程，并且在各個階段都需要熟練的勞動力。通過 AM-增材制造技術(shù)可以簡單地減少設(shè)計和組裝等過程。

金屬點陣金屬點陣結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)© 3D科學(xué)谷白皮書

  3D打印點陣晶格結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)模具

 在3D打印注塑模具這個過程中，使用點陣晶格結(jié)構(gòu)可以節(jié)省制造成本，甚至材料成本。在《Lightweight injection mold using additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures》案例中，使用3D打印-增材制造技術(shù)，研究人員通過計算機輔助工程 (CAE) 研究了點陣晶格可以承受的最大載荷和最小表面結(jié)構(gòu)的形成，用于制造輕質(zhì)模具。

研究人員進(jìn)行了全面的研究，包括點陣晶格結(jié)構(gòu)的壓縮測試、增材制造設(shè)計 (DfAM) 模具的 CAE 分析、輕質(zhì)模具的 AM-增材制造以及注塑成型的可行性測試。

Lightweight injection_2© 《Lightweight injection mold using additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures》

對于以拉伸和彎曲為主的晶格結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)施加于注塑模具的壓縮載荷來研究屈服強度。此外，通過CAE分析確認(rèn)了模具的應(yīng)力分布，同時考慮了注射過程中聚合物材料在模具中的鎖模力和壓力。

根據(jù)知乎，鎖模力又稱合模力，是指注塑機的合模機構(gòu)對模具合模后所能施加的最大夾緊力。當(dāng)原料以高壓注入模穴內(nèi)時會產(chǎn)生一個撐模的力量,因此注塑機的鎖模單元必須提供足夠的“鎖模力”使模具不至于被熔融料撐開。當(dāng)熔體充滿型腔時，注射壓力在型腔內(nèi)所產(chǎn)生的作用力總是力圖使模具沿分型面脹開，為此，注射機的鎖模力必須大于型腔內(nèi)熔體壓力與塑料制品及澆注及澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和的乘積。

基于壓縮測試和CAE分析，每個能夠抵抗注塑過程中產(chǎn)生的載荷的晶格結(jié)構(gòu)都被適當(dāng)?shù)胤胖迷谀＞邇?nèi)。使用聚氯乙烯 (PVC) 或橡膠注射所需的 Ti-6Al-4V 增材制造輕質(zhì)模具；模具材料會受到基于氯化物和硫磺的腐蝕。

結(jié)果，與實心模具相比，重量成功減輕了約 79%，并且使用 PVC 注射了 400 次注射到輕質(zhì)模具中而沒有任何損壞，這證實了輕質(zhì)模具用于注塑成型的可行性。換句話說，通過將 AM 技術(shù)與 Ti-6Al-4V 一起應(yīng)用，展示了一種具有點陣晶格結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)模具，因此，預(yù)計這樣的設(shè)計將有助于擴(kuò)大在模具行業(yè)中使用 AM-增材制造 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，包括安全相關(guān)風(fēng)險預(yù)防和降低成本。

研究人員設(shè)計的點陣晶格結(jié)構(gòu)是使用3D systems的3DXpert軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，使用ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以確認(rèn)在注射成型過程中根據(jù)密度和模具的壓縮載荷下晶格結(jié)構(gòu)的單元格的應(yīng)力分布。在單元格結(jié)構(gòu)分析的情況下，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.2 mm。

為了驗證3D打印-增材制造具有點陣晶格結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V材質(zhì)的輕質(zhì)模具的可行性，研究人員進(jìn)行了注塑測試，將 PVC 熔體注入3D打印的輕質(zhì)模具中。噴嘴溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、保壓壓力和冷卻時間分別設(shè)置為 250 °C、20 mm/s、22 MPa 和 15 s。反復(fù)進(jìn)行注塑測試，直到注塑周期達(dá)到 400 次。

 3D打印點陣晶格的更多機遇與挑戰(zhàn)

點陣或帶螺旋的輕量化結(jié)構(gòu)不僅僅可以用于為模具減重，還可以直接作為留道，提升注塑模具散熱能力。通過使用螺旋狀的冷卻流道，使得熱交換表面增大，同時減少了壁的厚度。

不過，點陣結(jié)構(gòu)的建模和3D打印中還存在不少挑戰(zhàn)。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要證明設(shè)計的性能可靠性，特別是在抗疲勞方面。由于點陣結(jié)構(gòu)的表面和尖銳的交叉點很多，這帶來了應(yīng)力集中。在點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，軟件企業(yè)與增材制造企業(yè)以及點陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行了大量探索。例如，在軟件企業(yè)中，安世亞太針對增材制造點陣結(jié)構(gòu)仿真分析，開發(fā)了多尺度算法仿真軟件Lattice Simulation,基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

在應(yīng)用企業(yè)中，中國空間技術(shù)研究院總體部根據(jù)三維點陣的胞元形式的特點，結(jié)合三維點陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實際情況，提出三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，即通過胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來表達(dá)三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計信息。

來源：3D科學(xué)谷